（系统分析与集成专业论文）气象数据采集通信系统的设计与实现.pdf

目录 目录 摘要i i i a b s t r a c t i v 第一章绪论l 1 1 本论文研究背景1 1 2 国内外研究现状3 1 3 主要研究内容6 第二章j 2 m e 和z ig b e e 技术概述7 2 13 2 m e 概j 苤7 2 3m i d p 。8 2 4 通用连接框架一9 2 4 1 概i 苤9 2 4 2 通用连接框架与层次1 0 2 4 3g c f 的使用1 1 2 5z i g b e e 技术概述。1 l 2 5 1z i g b e e 协议栈架构l l 2 5 2z i g b e e 中的设备和拓扑结构。1 2 2 5 3z i g b e e 技术的优势。1 3 2 6 本章小结1 4 第三章系统总体设计方案1 5 3 1 系统要求分析15 3 2 系统设计分析1 5 3 2 1 主控系统与采集节点的通信16 3 2 2 远程通信技术l7 3 2 3 主控平台1 8 3 3 系统组成设计19 3 3 1 系统的整体组成1 9 3 3 2 手机端终端功能设计2 0 3 4 本章小结2 1 第四章无线传感器终端设计2 2 4 1 传感器网络节点芯片2 2 4 2 无线传感器协调器硬件设计2 4 4 3 无线传感器网络的软件设计2 4 南京信息工程大学硕士学位论文 4 3 1z s t a c k 协议栈软件架构2 5 4 3 2z s t a c k 协议栈文件解析2 5 4 3 3 协调器串口通信功能设计2 6 4 3 4 协调器应用任务的实现2 8 4 4 协调器节点工作描述3 0 4 5 本章小结3l 第五章手机平台终端设计3 2 5 1 手机平台硬件概述3 2 5 2j 2 m e 终端功能设计3 3 5 2 1m i d p 设计的概述。3 3 5 2 2 程序设计模式3 4 5 2 3 程序设计框架3 6 5 3 终端各功能块实现4 l 5 3 1 串口功能模块实现4 l 5 3 2 网络功能模块实现4 8 5 3 3 存储功能模块实现5 2 5 3 4 界面视图功能实现5 5 5 4 系统功能的组合5 8 5 4 1 观察者模式5 9 5 4 2 功能模块组合6 l 5 5 本章小结6 2 第六章系统实验测试。6 3 第七章结论与展望6 6 7 1 论文总结6 6 7 2 展望一6 6 参考文献6 8 攻读硕士学位期间发表的论文7 0 致谢7 l 摘要 摘要 气象监测技术是气象信息化的重要基础，它为多个行业的安全运行提供保 障，在防灾减灾、交通调度、农业生产等方面发挥着极其重要的作用。为了满 足交通气象数据采集通信自动化、网络化的需求，本论文结合手机方案平台、 z i g b e e 技术和g p r s 技术的特点和优势，给出了一种新的设计方案，设计和实 现了基于以上技术的交通气象数据采集通信系统。 系统分为气象信息采集节点、z i g b e e 无线传感网络、嵌入式数据集中器、 g p r s 无线通信这四个组成部分。由气象信息采集节点采集各自区域内的气象数 据，再通过z i g b e e 无线传感器网络将气象信息传送到嵌入式数据集中器，由数 据集中器对气象信息进行处理并通过g p r s 功能块传送至远程数据管理中心。 在设计中，z i g b e e 技术和g p r s 无线通信使得系统结构具有便捷性、可扩展性。 首先，根据无线传感器网络技术和气象监测系统的实际需求，给出了系统 的总体设计方案，对系统的硬件和软件进行了详细的分析和设计。系统的节点 包括手机开发平台、传感器网络终端节点和协调器节点。手机平台采用m t 6 2 2 5 为主控芯片，采用j 2 m e 语言开发设计，采用模型一视图控制器( m v c ) 的 设计模式，在网络连接、视图管理和数据存储等方面进行了适当的裁减和优化 设计。重点分析设计了手机平台的多任务应用程序的开发，并给出了部分源代 码。底层数据采集节点采用c c 2 5 3 0 射频芯片，配合气象传感器，能实时地采 集、传输区域内的气象参数。 系统将各个气象监测采集终端组成测量网络，实现z i g b e e 无线组网，通过 手机平台以g p r s 方式与监控中心通信，从而构建了一个基于z i g b e e 与g p r s 的气象数据采集通信系统，节省了系统成本。本系统设计体现了嵌入式设计高性 能、低功耗、低成本的优势，实现了道路气象信息实时采集和处理的无线化、 自动化、网络化和智能化。 关键词：气象信息采集，z i g b e e ，手机平台，j 2 m e i 南京信息 ：程大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e t e o r o l o g i c a lm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi st h ei m p o r t a n tb a s i so fm e t e o r o l o g i c a l i n f o r m a t i o n i z a t i o n , i tp r o v i d e s t h e s a f e g u a r d f o r m u l t i p l e i n d u s t r i e s ss a f e o p e r a t i o n i tt a k e sa ni m p o r t a n tr o l ei nr e d u c i n gd i s a s t e ra n dt r a n s p o r t a t i o ns c h e d u l i n g , a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n i no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n do fm e t e o r o l o g i c a lm o n i t o r i n g a u t o m a t i o na n dc y b e r i z a t i o n , t h i sa r t i c l eh a su n i f i e dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n ds u p e r i o r i t y o fz i g b e et e c h n o l o g ya n dg p r st e c h n o l o g y , p r o p o s e dan e wk i n d o fd e s i g n p r o p o s a l ，d e s i g n e da n dr e a l i z e daw i r e l e s sm e t e o r o l o g i c a lm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d o nz i g b e ea n dm o b i l et e c h n o l o g y 田1 e s y s t e mi sc o m p o s e db yf o l l o w i n gp a r t s ：i n t e l l i g e n tn o d e f o rw e a t h e r i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n # z i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，e m b e d d e dd a t a - g a t h e r i n g i m p l e m e n t , g p r sr a d i oc o m m u n i c a t i o n n l ew e a t h e rd a t ao f e a c ha r e ai sc o l l e c t e d b yi n t e l l i g e n tn o d ef o rw e a t h e ri n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n , t h e nt r a n s f e r r e d t ot h e e m b e d d e dd a t a - g a t h e r i n gi m p l e m e n tt ob ed e a j t 、忻血b yz i g b e ew s n ，a n dt h e n t r a n s f e r r e dt or e m o t ed a t aa d m i n i s t r a t i v ec e n t e r b y g p r sm o d u l e i nt h e s y s t e m , z i g b e ew s na n dg p r sr a d i oc o m m u n i c a t i o nm a k ea l le a s ya n dc o n v e n i e n t c o n s t r u c t i o no ft h es y s t e ma n df l e x i b l ee x p a n s i o n a c c o r d i n gt ot h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k se l e m e n t a r yt h e o r ya n dt h e a c t u a l d e m a n do fm e t e o r o l o g i c a lm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h i sa r t i c l eh a sg i v e nt h eo v e r a l ld e s i g n p l a no f t h es y s t e m ，d e t a i l e d l ya n a l y z e da n dd e s i g n e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e s y s t e m 1 1 1 en o d eo ft h es y s t e mi n c l u d e dm o b i l ep l a t f o r m ，n e t w o r kc o o r d i n a t o ra n d t e r m i n a ls e n s o rn o d e i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e mt e c h n o l o g y , t a k i n g m t 6 2 2 5p r o c e s s o rw i t hr i c hh a r d w a r er e s o u r c e sa n da r m 7 - b a s e dk e r n e la st h ec o r e c h i p w r eu j 2 m 匣a st h ed e v e l o p m e n tl a n g u a g e b yu s i n gj 2 e es t r u t st h e o r y , t h e m o d u l e ss u c ha sn e tt h r e a d , v i e wm a n a g m e n ta n dd a t as t o r a g eh a v eb e e nc u td o w n a n do p t i n i z e d ，a n daj 2 m eb a s e dm v c ( m o d e l v i e w - c o n t r o l l e r ) f r a m e w o r ki s p r o p o s e d b a s e d 0 1 1t h i ss o f t w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，t h es y s t e mh a sm a i n l y a n a l y z e dt h em u l t i t a s k i n ga p p l i c a t i o nu n d e rt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m , g i v e n t h ek e yf l o wc h a r ta n dp a r t i a ls o u l - c ec o d e b yu s i n gc c 2 5 3 0a n ds e n s o r sa st h e i n t e l l i g e n tn o d ef o rw e a t h e ri n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n , i ta c h i e v e sar e a lt i m ea n d a b s t r a e t a c c t t r a t ed a t at r a n s m i s s i o n n es y s t e mh a sc o n s t i t u t e d m e 嬲u r i n g n e t w o r kw i t he c a ht e r m i n a lo f m e t e o r o l o g i c a lm o n i t o r , r e a l i z e dt h ew i r e l e s sn e t w o r ko fz i g b e e , m o b i l ep l a t f o r m c o m m u n i c a t e d 、析廿1m o n i t o r i n gc e n t e rb yg p r s t l l i sd e s i g nc a ns a v et h ec o s to ft h e s y s t e m n es y s t e md e s i g nm a n i f e s t st h ea d v a n t a g e so fh i g hp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o na n dl o wc o s to ft h e e m b e d d e dd e s i g n , a n da c h i e v e sar e a lt i m e c o l l e c t i o na n dw i r e l e s s , a u t o m a t i o n , n e t w o r k i n ga n di n t e l l i g e n t h a n d l i n go fr o a d w e a t h e ri n f o r m a t i o n k e yw o r d s ：w e a t h e ri n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n , z i g b ，m o b i l ep l a t f o r m , j 2 m e v 第一章绪论 1 1 本论文研究背景 第一章绪论 据世界气象组织统计，全球气象灾害占自然灾害的8 6 。我国幅员辽阔，东部位于东 亚季风区，西部地处内陆，地形地貌多样，加之青藏高原地形阻挡作用，影响我国的天气 和气候系统复杂，我国成为世界上受气象灾害影响最为严重的国家之一。我国气象灾害具 有灾害种类多，影响范围广，发生频率高，持续时间长，且时空分布不均匀等特点，平均 每年造成的经济损失占全部自然灾害损失的7 0 以上。随着全球气候变暖，一些极端天气 气候事件的发生频率越来越高，强度越来越大，对经济社会发展和人民福祉安康的威胁也 日益加剧。近十几年来，我国每年受台风、暴雨、浓雾、干旱、洪涝、高温等气象灾害和 森林草原火灾、山体滑坡、泥石流、山洪、病虫害等气象次生和衍生灾害影响的人口达4 亿人次，造成的经济损失平均达2 0 0 0 多亿元。2 0 0 8 年，我国南方出现了历史罕见低温雨 雪冰冻灾害等，都进一步加强气象防灾减灾工作的极端重要性和紧迫性。 同时，随着经济社会的快速发展和交通需求的不断增加，现代交通日新月异，交通基 础设施总量迅速扩大，公路，铁路、航空、航运、管理运输里程不断延伸，交通运输能力 和效率不断提高，有效地促进了社会经济的发展，人类出行和货物运输变得更加快捷、高 效。与此同时，各类不利天气对交通的影响日趋明显，强降水引发山体滑坡、道路塌陷、 路基冲毁，致使交通中断；强风和风切变导致车辆吹翻、船只沉没、飞机失事；浓雾，沙 尘暴造成视程障碍，引发高速公路车辆连环相撞；低温、降雪、冰冻致使交通受阻，诱发 交通事故；雷电则可能造成交通控制系统的损坏，类似的交通事故屡见报端，恶劣气象条 件成为引发交通事故的重要因素之一，对人民生命财产构成严重威胁。现代交通运输体系 所追求的便捷、通畅、高效、安全很大程度上受气象因素的影响和制约。我国幅员辽阔， 天气气候复杂，每年都会因天气气候灾害造成大量的交通事故。 据江苏省气象局相关资料统计，近年来，平均每年全国高速公路交通事故死亡人数近 1 2 万人，其中，百分之七十与气象原因有关。2 0 0 1 年4 月l o 日，岳阳洞庭湖大桥，8 级 大风连续2 0 多个小时影响，出现“风震”现象，整个桥身颤抖，靠近拉索的路灯被打碎， 造成交通封闭；2 0 0 3 年l1 月3 0 日，合肥至安庆的高速公路，时值浓雾，能见度极低，在 距离合肥2 0l 皿处3h 范围内，至少发生l o 多起交通事故，几十辆车相撞，造成6 人重伤， 多人轻伤，路面受阻车辆长达5h ；2 0 0 5 年8 月1 2 日，辽宁部分地区遭受强降水袭击， 公路交通遭遇l o 年来最严重的水段，全省1 1 条国省级干线、4 2 条县级公路被洪水冲断， 南京信息工程大学硕士学位论文 引发车辆和人员落水情况发生；2 0 0 5 年9 月4 日，一场团雾致使京沈高速公路发生一起重 大车辆追尾事故，近百辆车追尾相撞。3 4 辆受损，5 人死亡；2 0 0 7 年1 月2 4 日，宁靖高 速公路泰州段，突如其来的巨大团雾致使8 辆车发生严重追尾、翻车，7 人死亡，5 人受伤： 2 0 0 7 年3 月3 日夜间至5 日，辽宁出现罕见的大风雪，境内l l 条高速公路几乎全部关闭， 城际客运全部暂停，京沈高速入口处滞留长达数千米的车辆：2 0 0 8 年1 月至2 月期问，我 国南方大部分地区发生了历史罕见的以“低温、雨雪、冰冻”为特征的灾害性天气，交通 运输无论是公路、铁路、航空顿时陷于瘫痪。此次长时间的冰雪灾害正值春运高峰大量旅 客返乡之际，其影响和危害之大，为新中国成立以来罕见1 2 1 。 交通气象灾害同大多数自然灾害一样，人类对其控制力是很微弱的，但在交通气象灾 害面前，人们并非束手无策。面对气象环境灾害对交通的影响、威胁和危险与日俱增的现 状，许多国家交通、气象、建设等部门联合协作、加强了交通气象服务保障工作。1 9 9 2 年 成立的国际道路天气常设委员会致力于降低和减少气象条件对交通的不良影响；美国交通 部进行“高级运输气象信息系统”研究，联邦公路管理局开展“道路气象管理系统”研究； 意大利交通部推出“抗雾智能公路”计划；德国建立了公路气象信息系统。 我国对交通气象安全的研究起步较晚，但发展迅速，交通部、中国气象局均将交通气 象灾害防御作为科技规划的重要内容，2 0 世纪9 0 年代后期至今，相关成果不断涌现并投 入实际应用。如北京市公路局开展了“高速公路雾警自动限速标志系统”的研究；江苏省 气象局与江苏沪宁高速公路股份有限公司联合完成了“沪宁高速公路( 江苏段) 秋冬季浓 雾灾害研究”等多项成果，全面建成沪宁高速公路( 江苏段) 气象保障与决策管理系统并 投入业务应用口1 ；与江苏苏通长江大桥建设指挥部联合研究建立了“苏通大桥施工期气象 环境监测与预警系统”，在施工气象保障中发挥了重要作用h 1 ；交通部公路科研所等对京珠 北高速公路红云雾区安全保障技术的研究，取得多项成果；近年来中国气象局与交通部联 合发布公路交通气象信息，等等。这些研究和应用成果一方面为重大交通工程的规划选址、 建设以及合理避灾、减灾提供气象决策信息，减少气象灾害对工程的影响，促进交通可持 续发展，促进交通与自然和谐统一；另一方面，为交通设施运营、交通系统科学决策管理， 乃至为人们的出行提供大量的气象信息。这些气象信息的有效使用，为提高交通系统用户 减轻或避免不利天气带来的负面影响及充分利用天气条件的能力创造条件，以期实现使交 通气象灾害所造成的损失降至最小的目标。 目前我国的常规气象观测系统已经具有一定规模，这些系统可以可以为交通气象灾害 监测、预警及评估提供一定的背景资料。但常规气象观测系统的建设目的是为了满足一般 的天气预报的需要，但在需要监测的道路区域，其布设的空间尺度、气象要素采集的时间 间隔、监测的气象种类等都不能满足交通气象工作的实际需求。气象灾害的监测是开展交 2 第一章绪论 通气象工作的基础，必须及时的采集到表征当地及周边真实气象状况的数据，才能作进一 步的灾害研究、评估、论证及预报晦1 。因此有效获取正确的观测数据并适时传输到相关部 门和人员手中，是有效防御交通气象灾害的重要手段。 为交通工程建设、运营提供气象信息及保障服务而设的交通自动气象观测站布设在交 通工程沿线、场站，受到各种条件的限制，它不能像常规气象站那样拥有标准的观测场地， 观测仪器也无法按照常规气象观测站按一定标准摆放，无法实现逐站人工观测，尤其是那 些按需要布设在人迹罕至特殊地段的测试站更是如此。同时，由于气象灾害的突发性和局 地性，也不能按照接点进行观测，有些观测时距减少到l o 分钟甚至1 分钟。因此，针对交 通气象的实际，气象观测必须采用集各种要素观测于一体的综合监测采集系统，并采用计 算机、通信、自动化等技术，构建监测网络、监控、数据存储与远程传输系统，实现交通 道路沿线气象环境数据的实时传输，满足交通工程沿线气象预报预警及防灾减灾决策的需 求。 在这种研究和应用需求背景下，本论文将借助相关技术，结合手机方案平台和z i g b e e 无线传感网络的优势，提出它们在交通气象数据采集系统中的应用方案，并进行相关的设 计和实现。该系统的设计能解决许多应用的需求，对今后的交通气象数据采集监测有一定 的借鉴作用。 1 2 国内外研究现状 当前世界上，许多发达国家对交通气象保障服务工作极为重视，并投入大量人力物力 开展预报方法和服务手段的研发。国外已有许多与气象信息系统相关的气象、环境设备生 产厂商和技术开发企业，开发研制出了气象自动观测系统，用于道路交通方面陋1 。比较有 影响力的气象自动预报系统开发商有芬兰的v a i s a l a 公司1 7 1 ，美国的s s l ( s u r f a c es y s t e m i n c ) 公司等。在国内，与气象信息系统相关的企业有北京天正通公司、中国华云公司，江苏 南京交通气象研究所等。 目前国内外比较典型的气象信息系统有： 1 美国s s l 公司的r w i s 系统 成立于1 9 7 2 年的s s i 公司，是世界上领先的全方位交通气象信息系统供应商。该公司 研发的r w i s 系统，已经在世界上多个国家的机场、公路、城市中使用。s s i 公司的道路 跑道气象信息系统由分布的多个场站所组成，在每个场站中包含数据处理单元和相应的数 据传感器。在r w l s 系统的气象要素采集部分包含路面传感器和气象传感器。路面传感器 铺设在公路的路面，它可以对道路的温湿度、结冰程度、积雪厚度进行检测。而气象传感 器则用来测量区域内的风速、风向、空气温度和相对湿度、能见度和降水量等。传感器采 3 南京信息工程大学硕上学位论文 集到的数据被传送到一个远端数据处理单元，经过相应的处理之后，这些信息被传送到上 层监控中心的服务器中。监控中心对数据进行处理、存储，存入数据库中，并通过网络发 送到用户显示器。r w s 系统气象要素采集部分如图1 1 所示。 图1 1r w i s 气象要素采集部分 2 南京交通气象科学研究所的a m w 交通气象监测站 南京交通气象科学研究所为满足沪宁高速公路交通气象实验与保障的要求，研发成功 综合交通气象监测站a m w 交通气象监测站。它是集多气象要素的自动采集、存储、 c d m 气g p r s 无线通信等功能于一体的野外自动监测装置。 a m w 交通气象监测站是在常规气象观测站的基础上增加了能见度、路面温度、水面 温度等传感器，使得该监测站的功能和实用性满足交通气象的特殊要求。能见度、温湿度、 风、降水等各种气象要素同步采集、存储和无线通信上传。该监测站主要有主控系统、传 感器、机箱和组合支架、电源转换及管理单元、蓄电池、无线通信单元、通信线缆等部分 组成。主控系统的主要特点有：3 2 位a r m 7 t d m i s 核c p u 控制芯片；4 个1 6 c 5 5 0 工业 标准u u 盯：2 m b 存储空间，可连续存储一个月的逐分钟监测数据；系统自带低功耗的 c m o s 实时时钟芯片。 a m w 交通气象监测站如图1 2 所示。 4 锋 一 致看。 第一章绪论 图1 - 2a m w 交通气象监测站 3 中国华云技术开发公司c a w s 系列交通监测站 中国华云技术开发公司是一家专业从事气象、水文、环境监测的综合性集团化企业， 由管理、研发、工程、销售、制造、服务等核心企业组成。为了满足交通气象服务的需求， 研制了多款典型的多要素综合交通气象监测站。产品有c a w s 7 3 7 h w 交通气象站、 c a w s 6 2 0 - h w 公路监测站、c a w s 7 3 7 - r v 雾态监测站等。其中c a w s 6 2 0 - h w 能监测温度、 湿度、降水量、风向、风速、能见度及各类雨雪雾天气现象等影响交通安全的气象要素， 主要用于及时发现交通沿线各种异常交通环境因素变化和气象状况，为气象服务和交管部 门提供实时的监测数据和决策科学依据。 c a w s 6 2 0 - h w 采用3 2 位微处理器，具有5 对差分输入通道，3 个智能传感器接口， 使用a c 2 2 0 v 供电，同时具备加热电源和加热设备。远程采用的标准通信方式有：g p r s 、 3 g 、c d m a 等；局域采集采用：r s 4 9 5 总线、r s 2 3 2 技术。配以相应的传感器可以采集气 温、相对湿度、风向、风速、雨量、气压、雪深、能见度、净全辐射、道面状况等。该监 测站如图l - 3 所示。 i 一 图1 3c a w s 6 2 0 一h w 公路监测站 5 南京信息工程大学硕士学位论文 对国内外这些典型的气象信息采集系统进行分析后，可以得出如下的共同点： 在系统设计中，底层的采集网络需要实现对基本的气象参数进行监测采集。数据处理 单元与上层监控中心要实现网络通信链路，以便能及时进行信息交流。 在数据监测采集系统中，使用嵌入式平台构建，通讯方式基本上都为布线式，区域内 传感器采集节点的布局基本上都比较紧凑，较少采用分散采集，在一些特殊的场合还不能 满足监测采集需求。 1 3 主要研究内容 基于以上对现有国内外公路气象信息采集系统现状的分析，本论文综合目前无线传感 器附络、手机工控平台方案、无线传输等技术提出了一种能适应发展需要的交通气象信息 采集系统。 本论文的主要研究内容包括以下几点。 1 系统总体框架与功能设计：针对目前交通气象数据采集的实时性、快捷性、布设容 易等要求，本文设计了气象要素数据的无线传感嘲络采集与传输系统。 2 对手机工控平台( 支持j a v a ) 的终端相关功能模块进行了详细的设计，其中包括： 数据采集模块、数据传输模块、信息交互模块等，并利用j 2 m e 技术对所设计的模块进行 实现，设计出完整功能的终端程序。 论文分为七章，对基于手机工控平台和无线传感器网络的交通气象数据通信采集系统 进行了分析和设计。主要章节内容安排如下： 第一章：绪论，论述了本论文的研究背景和意义、国内外现状、论文的主要研究内容。 第二章：本章对手机编程语言j 2 m e 、无线传感网络进行了概述和分析研究。 第三章：从系统的功能和需求分析出发，提出了系统的总体设计方案，对系统的组成、 工作原理进行了分析。 第四章：对系统涉及的无线传感器终端节点进行了分析论述，对所选z i g b e e 芯片特点、 电路功能原理进行了分析和介绍，并给出了部分电路原理图和示意图。同时对z i g b e e 协调 器任务功能的实现予以具体阐述。 第五章：进行了系统的手机工控平台软件设计，其中详细探讨了使用j 2 m e 语言开发 m i d p 程序的原理、开发方式、手机界面设计、事件处理、功能模块设计和网络g p r s 连 接机制等，研究了平台终端相关功能的实现方法。 第六章：对设计的数据采集系统做了测试实验。 第七章：对论文的主要工作做了总结，分析研究工作存在的不足，并对将来的工作进 行展望。 6 第一二章j 2 m e 和z i g b c e 技术概述 2 1j 2 m e 概述 第二章j 2 m f 和z ig b e e 技术概述 j 2 m e 全称j a v a2m i c r oe d i t i o n ，即j a v a 的微型版本，是s u n 公司推出的针对嵌入式 消费类电子产品的开发平台，与j 2 s e 和j 2 e e 共同组成j a v a 技术的三个重要的分支哺。它 被定义为“一种以广泛的消费性产品为目标的、高度优化的j a v a 运行环境”。 与s u n 公司以前推出的j 2 e e 、j 2 s e 规范相比，j 2 m e 不是一个单独的技术规范，而是 一系列技术规范的总称。这些规范定义了j a v a 技术在资源受限的设备中的表现形式。j 2 m e 主要适用于小型嵌入式设备。这些设备与p c 或是服务器设备相比没有统一的硬件标准、 外观与操作方式，其功能也是千差万别的。但是j 2 m e 在适用于这些设备的同时也保留了 j a v a 的传统特性，即具有良好的可移植性、部署灵活性，安全的网络传输性，以及代码稳 定性。 2 2j 2 m e 体系结构 考虑到不同的消费者和嵌入式设备的多样化的需求，j 2 m e 采用分层模块化的思想，提 供一个由配置、简表、可选包组成的结构平台模型，该模型构建于本地操作系统之上。该 平台的实现由开发者自己根据特定范围内的硬件需求来从中选择组合。 j 2 m e 的3 层体系结构依照各种设备的资源特性，将j 2 m e 技术架构分为简表( p r o f i l e ) 、 配置( c o n f i g u r a t i o n ) 和虚拟机( j a v av i r t u a lm a c h i n e ，j v m ) 3 层，然后再进一步细分，这使 j 2 m e 能够在每一类设备的限制下工作，并同时提供最低限度的j a v a 语言特性，如图2 1 所示。 莲接 设备 配置 园圈目圆圆圈 c d c c o t ec l d c c o r e c l a s s e sc l a s s e s j 口 ! 妇 简表层 p r o f i l e 配置层 c o 嘶n - a a o n 虚拟机 v t r t u a l n 4 a c h i n e 本地操作系统 图2 1j 2 m e 的分层结构 - j a v a 虚拟机( j v m ) 层：这一层是针对设备本地操作系统定制的j a v a 虚拟机的实现， 支持特定的j 2 m e 配置，与使用所有j a v a 技术的机制类似，在这个虚拟机j v m 中包 7 南京信息工程大学硕士学位论文 含了 2 m e 技术的核心。 _ 配置( c o n f i g u r a t i o n ) 层： 面对的是大量各种不同的小型嵌入式设备，它们在外观和 功能上均各不相同。j 2 m e 将这些设备进行分类，将一些共性提取出来形成合适于某个 范畴中设备可用的规范，称为“配置”。也可将配置理解为对硬件的描述，通过定义配 置的方法就能清楚地描述硬件功能。 一 简表( p r o f i l e ) 层： 简表层定义了特定系列设备上可用的应用程序编程接口( a p i ) 的最小集。简表在一个特定的配置上面实现。应用程序是针对特定的简表编写的，因 此可以移植到支持该简表的任何设备上。另外，一个设备可以同时支持多个简表。 j 2 m e 把设备分为连接设备( c o n n e c t e dd e v i c e ) 和有限连接设备( c o n n e c t e dl i m i t e d d e v i c e ) 两类，目前通过j a v a 规范定义的有两种配置，分别是：有限连接设备配置( c o n n e c t e d l i m i t e dd e v i c ec o n f i g u r a t i o n ，c l d c ) 和连接设备配置( c o n n e c t e dd e v i c ec o n f i g u r a t i o n ， c d c ) 。其中c l d c 用来为设备资源较少的低端设备提供服务；c d c 为商端的消费类产品 提供服务。这两者中包含定义了不同的j a v a 库和虚拟机特征。 2 3m i d p m i d p 定义了针对移动信息处理设备( 主要指智能手机和一部分具有无线通信功能的 p d a ) 的图形界面、输入和时间处理、持久性存储、无线电话网络连接上的一些消息处理 ( 例如短消息) 、安全等a p i ，并且考虑到了移动信息设备的屏幕和内存限制。类似于j 2 s e 中的a p p l e t 框架，m i d p 提供了基于j a v a x m i c r o e d i t i o n m i d l e t 包的m i d l e t 应用程序框架。 m i d p 需要满足如下要求： 要具有输入设备； 包含一定大小的内存，用来运行j a v a 环境和存储数据； 支持双向的、无线带宽有限的网络； 具备能管理底层硬件的最小内核； 提供基于事件操作的机制； 提供一种管理设备上应用程序生命周期的机制。 m i d p 类库实现是在c l d c 类库基础之上的，因此许多类来自j 2 s e 。为了实现特定的 功能，m i d p 2 0 增加了一些新的类库，其中本设计中使用的主要的核心的类库总结如下表 2 1 所示。 8 第二章j 2 m e 和z i g b e e 技术概述 表2 1m i d p 核心类 核心包 包描述 j a v a i o 通过数据流提供系统的输入输出 j a v a 1 a n g m i d p 语言包，在c l d c 中j a v a 1 a n g 包基础上增加了类 j a v a 1 a n g 1 1 1 e g a l s t a t e e x c e p t i o n 。当有非法的转换请求时抛出这个异 常，如在一个t i m e r t a s k 安捧中调用或者在用户界面组件容器中请求 j a v a u t i l m i d p 工具类，在c l d c 中j a v a u t i l 包基础上增加了以下类： j a v a u t i l t h n e r j a v a t a i l t i m e r t a s k 1 r i m 盯用于安捧一个后台线程使它在以后运行，n m e t a s k 通过使用 t i m e r 安捧一个单次执行任务，或者是一定间隔重复执行的任务 应用程序生命周期m i d l e r 包定义了m i d p 应用程序以及应用程序和它所运行于环境之 j a v a x m i c r o e d i t i o n m i d l e t 间的交互 用户界面为m i d p 应用程序提供用广1 界面a p i j a v a x m i c r o e d i t i o n 1 c d u i 为m i d p 应用程序提供游戏开发的高级a p i j a v a x m i c r o e d i t i o n i c d u i g a m e 网络 m i d p 提供了基于c u ) c 通用连接框架的网络支持，在c l d c 这个 j a v a x m i c r o e d i t i o n i o 包基础上，增加了类j a v a x m i c r o e d i t i o n i o h t t p c o n n e e t i o n ，这个 类用于建立h r t p 连接。在m i d p 2 0 中除了支持h 兀甲连接，还支 持h t t p s 、报文、s o c k e t 通信以及串口通信和服务器p u s h 体系架 构的支持 2 4 通用连接框架 只有实现移动设备与移动设备或非移动设备互相通信的功能后，移动设备的应用程序 才可以称得上是真正有用的。比如移动设备与p c 的数据通信，或者是移动设备之间的数 据交换等。j 2 m e 的m i d p 在j a v a x m i c r o e d i t i o n i o 程序包中提供了一整套类，统称为通用 连接架构( g e n e r i cc o n n e c t i o nf r a m e w o r k ，g c f ) 。g c f 使得与其他设备的数据传输变得非 常容易。 2 4 1 概述 g c f 是建立在用连接类来管理通信的概念基础上的。定义一个抽象类c o n n e c t i o n 来 作为所有连接类的基类，另外再为每种不同的通信方式定义一个接口类。这些接口类通过 实现基类中一个已经定义的方法，就可分别实现所需的通信功能。使用这种设计模式，使 得g c f 具有良好的通用性和扩展性，在实际使用中实现起来比较简单。 在m i d p 2 0 规范中规定了两种无线数据网：电路交换数据网和分组交换数据网。 其中在电路交换数据网中，当数据传输时，每个用户都有自己的通话频道。在进行数 9 南京信息工程大学硕士学位论文 据交换时，独占该频道，不可被用作他用。计费的方式是通过时问收费的。该网络的数据 通信传输速率较低，一般仅为9 6 k b p s 。 另一种分组交换数据网是目前普遍使用的网络。在数据通信时，将数据分割为多份等 长的数据包，然后将该段数据包分配到某个通信频道的不同时间片上，在数据传输的过程 中，多个用户的数据可共用同一个信道，数据是被混合传输的，这些数据由接收方接收后， 按照相应的协议进行重新组装。目前通信运营商提供的